Energia Solare Fotovoltaica
Sezione 2 – Il generatore fotovoltaico
Corso di ENERGETICA
A.A. 2015/2016
Docente: Prof. Renato Ricci
Dipartimento di Ingegneria Industriale e Scienze Matematiche
Giunzione P-N
La giunzione p-n si verifica all’interfaccia di due
semiconduttori posti a contatto qualora gli stessi
siano drogati con componenti aventi Valenza diversa.
La giunzione p-n è composta da due zone: una con
un eccesso di elettroni (strato n) e una ad eccedenza
di lacune (strato p). Le eccedenze di elettroni e
lacune si ottengono mediante drogaggio, con varie
tecniche; generalmente il Boro viene usato per
realizzare la regione di tipo-p e il Fosforo per quella
di tipo-n. Il Boro presenta infatti 3 elettroni nella
Banda di Conduzione, Il Fosforo 5 elettroni mentre il
Silicio, materiale di base che viene drogato, 4
elettroni.
Il Silicio drogato con il Boro (p) quando è posto a
contatto con quello drogato con il Fosforo (n) inizia
ad assorbire gli elettroni di quest’ultimo e trasferisce
le sue Lacune verso lo stesso. In tal modo, dopo
brevissimo tempo, il lato-p sarà polarizzato
NEGATIVAMENTE e il lato-n POSITIVAMENTE; quando
la differenza di potenziale che si instaura
sull’interfaccia arriva ad un valore critico , che per il
Silicio è circa 0.6-0.7 [V] il meccanismo di diffusione
si ferma .
La polarizzazione della giunzione può essere DIRETTA o INVERSA. Si ha polarizzazione diretta quando la parte di tipo P è
connessa al terminale positivo del generatore di tensione, mentre la parte di tipo N è connessa al terminale negativo.
2
Polarizzazione Diretta ed Inversa
In questa configurazione, le lacune nella regione di tipo P e gli
elettroni nella regione di tipo N sono spinti verso la giunzione,
la zona di giunzione si assottiglia mano a mano fino ad
abbassare la differenza di potenziale ed a consentire il
passaggio degli elettroni e delle lacune. In questa situazione la
Resistenza Elettrica della giunzione risulta trascurabile e la
stessa entra in CONDUZIONE rendendo possibile il passaggio di
una corrente elettrica.
Polarizzazione inversa
La polarizzazione INVERSA si ottiene collegando la regione di
tipo P al terminale negativo dell'alimentazione e la regione di
tipo N al terminale positivo. In tal modo la lacune vengono
spinte lontano dalla giunzione, così come gli elettroni e, tutto
ciò aumenta la barriera di potenziale IMPEDENDO, di fatto il
passaggio della corrente (Effetto DIODO)
In tutti gli esempi fatti finora la giunzione risultava alimentata
elettricamente, nel caso di una cella fotovoltaica è invece la
radiazione solare a provvedere la fornitura di pacchetti
energetici (FOTONI) che inducono sul semiconduttore il rilascio
di una coppia elettrone-lacuna, grazie all’effetto fotoelettrico
che si instaura nello strato irradiato. Il Silicio risulta sensibile a
tale effetto per le radiazioni di lunghezza d’onda compresa fra
0.4 e 1.1 micron. Lunghezze d’onda maggiori non vengono
assorbite, così come fotoni a lunghezze d’onda inferiori di 0.4
micron vengono utilizzati solo in parte per l’effetto
fotoelettrico, il rimanente viene trasformato in CALORE.
3
Cella Fotovoltaica (1)
Come detto in precedenza il passaggio di un elettrone dalla Banda di Valenza alla Banda di Conduzione è causato
dalla fornitura di una quantità di energia che dipende dalla struttura dl materiale; a tale energia viene dato il nome
di Energia di GAP ed il suo valore viene misurato in [eV]. Nel caso di una cella fotovoltaica l’energia viene fornita
mediante una radiazione elettromagnetica, il cui contenuto energetico è rappresentato dal FOTONE, o quanto di
energia, avente valore deducibile dalla Legge di Planck, secondo la quale:
Efotone
h c0
n
h costante di Planck 6,6256 1034 [J s ]
[J ]
c0 velocità della luce nel vuoto=2,998 108 [m / s ]
n indice di rifrazione del mezzo
lunghezza d'onda del Fotone [m]
1[eV]=1,6 1019 [J ]
Il Silicio, ad esempio, presenta un’energia di Gap, Eg, pari a 1,12 [eV] pertanto per conoscere quale sia la lunghezza
d’onda del fotone avente tale energia basta applicare l’equazione di Planck per ottenere:
h c0
6,6256 1034 2,998 108
6
1
,1
10
[m] 1,1 [ m]
19
n Eg
1 1,12 1,6 10
ossia la lunghezza d’onda del FOTONE ricade nel Vicino Infrarosso. Fotoni di lunghezza d’onda minore hanno energia
maggiore e, pertanto, solo una porzione della loro energia verrà utilizzata per eccitare l’elettrone, la rimanente verrà
dissipata in calore. Fotoni di lunghezza d’onda superiore non riusciranno a provocare il passaggio dell’elettrone alla
Banda di Conduzione (Effetto Fotovoltaico) e si limiterà ad eccitare solo a livello vibrazionale la struttura del
materiale, inducendo un aumento d temperatura nello stesso.
4
Cella Fotovoltaica (2)
La tipica cella fotovoltaica prodotta industrialmente è costituita
da una sottile fetta di silicio mono o policristallino, di spessore
variabile fra 0.08 e 0.3 [mm], di forma circolare (ormai
obsoleta), quadrata o rettangolare e con un'area di circa 100 200 cm². Nello spessore della cella si distinguono due strati
semiconduttori: quello superiore esposto alla radiazione solare,
molto sottile, di tipo N, ed un secondo strato, di tipo P, in cui
avviene l'assorbimento della luce incidente. La luce genera
all'interno della cella le coppie elettrone-lacuna, che migrano
verso gli elettrodi sotto l'azione del campo elettrico presente
alla giunzione p-n: gli elettroni vengono raccolti dall'elettrodo
superiore, le lacune da quello inferiore, creando un generatore
di corrente. Il comportamento elettrico di una cella può essere
rappresentato con un circuito elettrico equivalente come in
figura, anche se esistono diversi modelli con cui si rappresenta
una cella fotovoltaica.
Gi =
Rs =
Rcarico =
Ig
Id
Ii
I
Conduttanza di dispersione (3 - 5 mS)
Resistenza interna associata al tipo di giunzione ed alle
impurità dei materiali (0.05 - 0.1 W)
Resistenza del carico collegato alla cella
Corrente fotovoltaica
Corrente di Diodo
Corrente di dispersione
Corrente erogata al carico
5
Cella Fotovoltaica (3)
La conduttanza Gi tiene conto delle dispersioni verso terra durante il normale funzionamento mentre Rs rappresenta le perdite interne
della cella e dipende dallo spessore della giunzione P-N, dalle impurità presenti e dalla resistenza di contatto. L’efficienza di conversione
della cella è fortemente influenzata dal valore di Rs piuttosto che da Gi. La tensione a vuoto della cella (Voc) si presenta quando il carico
non assorbe corrente (I=0); conoscendo la conduttanza della cella si arriva alla determinazione di Voc. La corrente che potrà essere
erogata al carico sarà così pari alla corrente del generatore (Ig) diminuita di quella di diodo (Id) e di quella persa internamente (Ii). Per
conoscere la corrente di diodo bisogna prima conoscere la ID, valutabile alimentando una cella oscurata con una tensione Voc e
misurando la corrente che circola all’interno della cella.
ID
T
Q
K
A
: corrente di saturazione del diodo;
: temperatura assoluta [K];
: carica dell'elettrone= 1.6 10-19 [C];
: costante di Bolzman dei gas = 1.3805x10-23 [J/K];
: fattore di identità del diodo, per il silicio
monocristallino è pari a 2
I : corrente [A] o in [mA].
VOC
I
i [V ]
Gi
Id ID
I I g Id Ii I g ID
Tipo di cella
Area
[cm2]
VOC [V]
JSC
[mA/cm2]
FF
[%]
Efficienza
[%]
Si cristallino
4.0
0.706
42.2
82.8
24.7
Ga As cristallino
3.9
1.022
28.2
87.1
25.1
Poli-Si
1.1
0.654
38.1
79.5
19.8
Si amorfo
1.0
0.887
19.4
74.1
12.7
Cu In Ga Se2
(CIGS)
1.0
0.669
35.7
77.0
18.4
Cd Te
1.1
0.848
25.9
74.5
16.4
Q Voc
e A k T
1 [ A ]
Q Voc
k
A
T
e
1 G i Voc
P V I [W ]
Cella Fotovoltaica (4)
Le celle fotovoltaiche sono caratterizzate da una
curva V-I, dalla quale è possibile determinare le
prestazioni elettriche, e definita Curva Caratteristica.
Corrente di corto circuito ( ISC ) : in questa situazione
si ha V=0 e I= ISC, dove ISC è la corrente erogata dalla
cella quando a questa viene applicato un carico con
resistenza nulla (I massima). Per celle al silicio
monocristallino (10 x 10 cm) è di ~ 3 [A].
Circuito aperto (VOC ) : in questa situazione si ha V=
VOC e I=0, dove VOC è la tensione ai morsetti della
cella quando a questa viene applicato un carico a
resistenza infinita (V massima). Per celle
monocristalline VOC varia tra 0.5 e 0.6 [V], per celle al
silicio amorfo varia tra 0.6 e 0.9 [V].
Potenza Massima ( PM ) : situazione di massima potenza
ossia il punto in cui il prodotto tensione corrente della cella
e massimo, in questa situazione si ha PM=IM∙VM. La potenza
erogabile da una cella è massima in corrispondenza del
ginocchio della curva, essa è caratterizzata dal rettangolo
che ha l'area massima tra tutti i rettangoli inscrivibili
all'interno della caratteristica.
Cella Fotovoltaica (5)
Quando ad una cella FV viene applicata una tensione dall’esterno IN
SENSO INVERSO alla sua normale polarizzazione la potenza viene
assorbita dalla cella e la corrente prodotta rimane costante ma se si
aumenta ancora la tensione INVERSA oltre un certo valore, detto di
BREAKDOWN, la giunzione P-N viene perforata. Quando si è in
assenza di luce la corrente generata dalla cella (Ig) è NULLA fino ad
una tensione inversa pari a quella di breakdown, superata la quale si
inizia ad avere una corrente di scarica. Se colleghiamo il nostro
generatore FV alla rete di distribuzione esterna avremo che un
eventuale utilizzatore potrà ricevere corrente da ambedue le fonti. In
generale avremo che:
U
Iu Ig Ir con Iu
Ru
ne segue che:
Durante la notte
Ir
U
Ig
Ru
Ir
U
per Ig 0
Ru
Durante il giorno a piena potenza FV
Ig
U
per Ir 0
Ru
U2
Pu U Iu
Potenza assorbita dall ' utilizzatore
Ru
Pg U Ig Potenza generata dall ' impianto FV
Pr U Ii Potenza fornita dalla rete
Cella Fotovoltaica (6)
A parità di condizioni di Irraggiamento le prestazioni di una cella possono variare sensibilmente al modificarsi delle
sue proprietà intrinseche. E’ evidente che da un punto di vista energetico sarebbe auspicabile che tutte le coppie
elettrone-lacuna generatesi dall’effetto Fotoelettrico fluiscano verso il carico esterno, senza ricombinarsi all’interno
della stessa giunzione. Per far ciò è importante che la Resistenza di Shunt della cella sia la più alta possibile e ciò
dipende dalla qualità e dal grado di purezza della cella stessa. In basso a DX è visibile l’effetto associato ad una
diminuzione della resistenza di Shunt, che va ad influenzare il valore della Potenza massima riducendo sensibilmente la
tensione disponibile in uscita. Ad un risultato simile si giunge qualora venga ad aumentare la Resistenza Interna,
associata al cablaggio elettrico della cella ed al sistema di fissaggio dello stesso; in questo caso la riduzione di
voltaggio risulta ancora più marcata a causa della caduta sull’interfaccia che separa la cella dai contatti.
I
CC
Rshunt
Rs
Rs
Rshunt
V Rs I
Rcarico
Rcarico
V
Rshunt
V Gi
Cella Fotovoltaica (7)
Per valutare le prestazioni di una cella o di un modulo fotovoltaico è necessario che si faccia riferimento ad una
distribuzione spettrale, della radiazione solare incidente, che sia di riferimento; il problema che emerge
immediatamente è che l’assorbimento atmosferico dipende dallo spessore e dalle caratteristiche della fascia
atmosferica interposta fra la radiazione incidente ed il modulo oggetto di prova.
Come detto in precedenza la norma CEI
Composizione spettrale della luce solare con
82-3 definisce un valore standard di
attenuazione atmosferica AM 1,5
distribuzione spettrale al suolo
chiamato AM1.5; tale dato esprime il
rapporto fra: il percorso effettivo fatto
Zona di lavoro del Silicio
dai raggi solari nell’attraversare
l’atmosfera ed il percorso che gli stessi
raggi fanno qualora il sole si trovi allo
Zenith. Con questa distribuzione
ISTC Irraggiamento solare STANDARD (1000 [W / m 2 ])
spettrale viene assunto un valore di
PSTC Potenza elettrica massima della cella in STC
Irraggiamento per unità di superficie di
2
1000 [W/m ] ed una temperatura della
cella di 25 [°C]; l’insieme delle 3
condizioni di prova danno origine a
quelle che vengono chiamate STC
(Standard Test Conditions). Il
rendimento energetico nominale della
cella, anche chiamata Efficienza
Nominale, viene così definito come:
cella
PSTC
ISTC Acella
Cella Fotovoltaica (8)
Le prestazioni elettriche di una cella fotovoltaica, così come di un pannello, sono descrivibili mediante il grafico
Corrente-Voltaggio; emerge chiaramente come a Circuito Aperto, punto VOC, ossia quando il pannello non è collegato
al carico, si ha il massimo voltaggio, la corrente massima si ha invece in condizioni di Corto Circuito, ISC. La potenza
elettrica generata è pari al prodotto della corrente per il voltaggio, tale potenza assume il valore massimo laddove la
curva caratteristica del pannello mostra il “ginocchio”, la cui forma è intimamente legata alla tipologia di cella
selezionata. E’ evidente che la cella migliore è quella che riesce ad erogare una corrente costante al variare del
voltaggio ma in pratica ciò non è possibile e l’allontanamento dalla situazione “ideale” viene quantificato mediante
un parametro denominato FILL-FACTOR. Nel Silicio Amorfo FF assume valori bassi, fino a 0.5, sale a circa 0.65 nei
moduli a Film Sottile per arrivare a 0.7-0.8 nei moduli in Silicio Policristallino e Silicio Monoscristallino.
Potenza Elettrica
P V I
Potenza Massima
PM VM I M
Fill - Factor
FF
VM I M
0,75 0,80
VOC I SC
Cella Fotovoltaica (9)
L’analisi fatta in precedenza vale per una cella che operi in condizioni STC, operativamente ciò non si verifica mai ,per
cui è importante conoscere come le caratteristiche elettriche della cella vengano a modificarsi al variare della
temperatura ambiente e della Irradiazione solare incidente. Al diminuire della potenza radiante si ha una decisa
riduzione della corrente di corto circuito, di contro il voltaggio a circuito aperto non varia in modo marcato; il risultato
sarà una forte diminuzione della potenza massima erogabile dal pannello
La temperatura gioca un ruolo differente modificando invece
il voltaggio a circuito aperto e operando una moderata
influenza sulla corrente di corto circuito; l’influenza sul valore
di potenza massima risulta meno marcata. Il Silicio Amorfo
risulta meno influenzato dalla variazione della temperatura
dalle condizioni STC.
Cella Fotovoltaica (10)
La temperatura di lavoro della cella gioca un ruolo fondamentale; il costruttore del modulo FV fornisce un valore
nominale (Nominal Operating Cell Temperature (NOCT)), in genere compreso fra 41 e 50 [°C], che rappresenta la
temperatura raggiunta dalla cella quando sottoposta ad un irraggiamento di 800 [W/m2], con una temperatura
dell’aria di 20 [°C], una velocità del vento di 1 [m/s] ed uno spettro di radiazione AM1.5 . Tanto più piccolo è il NOCT
tanto migliore è la qualità della cella, poiché indica una buona capacità di conversione energetica ed un buon
smaltimento del calore. Se però la temperatura ambiente è inferiore a 20 [°C] la temperatura della cella diminuisce di
conseguenza ed aumenta la sua tensione a vuoto (VOC); ciò modifica la tensione massima di uscita del modulo ma
anche il voltaggio al punto di Massima Potenza.
Norma CEI 82-25 IIed.
Tcell T a G p
NOCT 20
800
Voc (T ) Voc,stc Ns (25 Tcel )
Temperatura cella al variare delle
condizioni di funzionamento
Voc del modulo al variare delle
condizioni di funzionamento
Variazione percentuale di potenza associata ad una
temperatura della cella diversa da 25 [°C]
Pm (%) CT (Tcell 25)
CT (%/°C)
NOCT (°C)
(%)
Silicio Monocristallino
da -0.3 a -0.5
da 41 a 50
da 16 a 19
Silicio Polistristallino
da -0.3 a -0.5
da 41 a 50
da 13 a 17
Silicio Amorfo
da -0.2 a -0.5
da 41 a 50
da 5 a 8
CdTe
da -0.22 a -0.46
da 41 a 50
da 9 a 10
CIS
da -0.26 a -0.5
da 41 a 50
da 10 a 12
-0.3
da 41 a 50
> 19
Tipologia Modulo
Multigiunzione (HIT)
Gp=Radiazione incidente sul piano dei moduli; Ns=numero di celle in serie nel modulo; =coefficiente termico di Voc
Cella Fotovoltaica (10bis)
La POTENZA nominale della cella fotovoltaica viene modificata al variare della temperatura di funzionamento della
stessa , Tcell, e di quella dell’ambiente di lavoro, Ta. Generalmente le due temperature sono legate fra esse in quanto
un aumento di Tcell è dipendente da una marcata variazione del clima operativo.
La norma CEI 82-25 IIed. Fornisce indicazioni per la stima della variazione della potenza nominale del pannello qualora
si conosca la temperatura ambiente o la temperatura a cui sta operando la cella FV.
A tal proposto, e richiamando simboli utilizzati già in precedenza, possiamo definire un “rendimento termico” di
lavoro del pannello (T) e calcolare la Potenza nominale Effettiva di lavoro:
Pn
Pn
CT
100
CT
100
(T a 25 G p
(Tcell 25)
NOCT 20
800
)
Qualora si conosca la Ta
Qualora si conosca la Tcell
In tal caso la Potenza Nominale Effettiva del Modulo sarà data da:
Pn.eff (1 P 0.08) Pn
dove “0.08” viene inserito per tenere conto delle perdite eventuali di collegamento e di lavoro del pannello.
Il calcolo dell’Energia elettrica prodotta dal pannello nel corso dell’anno sarà così valutabile come:
E el (t ) Pn ,eff
E sol (t )
1000
K
dove K è un coefficiente che tiene conto dell’ombreggiamento (compreso fra 0.9 e 0.98) e t è il periodo di tempo per
il quale si valuta la produzione.
Cella fotovoltaica (11)
Il Diossido di Silicio è il costituente principale delle Celle in Silicio Cristallino; la sabbia viene fusa insieme a Polverino di
Carbone e si ottiene un Silicio al 98% di purezza che, trattato in forno con acido idrocloridrico diventa liquido e
distillato a 1000 [°C] assume , nel raffreddamento, le caratteristiche di Silicio Monocristallino o di Policristallino.
Si ottiene mediante la fusione dei cristalli di Silicio ad una temperatura di 1420 [°C]; il raffreddamento è a
temperatura controllata così da produrre un unico cristallo di forma circolare ed avente diametro di 30 centimetri, la
lunghezza della barra è di alcuni metri ed il tutto viene fatto a fette di spessore pari a 80-300 micron. Il processo testé
descritto prende il nome di metodo Czochralski. Solo a questo punto si passa al drogaggio dei Wafer ottenuti dal taglio
diffondendo dapprima atomi di Boro (strato –p) e, successivamente, gli atomi di fosforo (strato-n); il tutto avviene ad
una temperatura di 800-1000 [°C].
I contatti elettrici posteriori vengono quindi apposti, seguiti da quelli frontali; solo a questo punto la cella viene trattata
con uno strato di materiale anti-riflesso (ARC). Le Celle in Monocristallino presentano una efficienza compresa fra 15 e
18% e la forma può essere circolare (10, 12.5 o 15 cm di diametro), quadrata (10x10 o 12.5x12.5 cm) e
pseudoquadrata. Il colore della cella è in genere BLU scuro o nero, se trattata con trattamento AR, è invece GRIGIO se
non viene trattata.
Si ottiene mediante riscaldamento a 1500 [°C] di Silicio a bassa purezza, il tutto viene quindi raffreddato a 800 [°C]
creando dei blocchi di 40x40x30 centimetri. Tali blocchi, una volta divisi in lingotti, vengono tagliati a fette da 80-300
micron ed arredati di contatti elettrici posteriori e superiori, completando il tutto con trattamento antiriflesso (ARC). Le
Celle in Policristallino presentano una efficienza compresa fra 13 e 15% e la forma è quadrata (10x10 o 12.5x12.5 cm).
Il colore della cella è in genere BLU, se trattata con trattamento AR, è invece GRIGIO –ARGENTO se non viene trattata.
15
Cella fotovoltaica (12)
POlycrystalline Wafer Engineering Result
Analoghe a quelle in Silicio Policristallino, queste Celle presentano i contatti SERIGRAFATI su ambedue le facce
prestando attenzione a disporre perpendicolarmente i contatti di una faccia con quelli dell’altra. La cella viene forata
con fori microscopici così che presenti una apparente trasparenza. Le Celle POWER presentano una efficienza di circa il
10% e la forma è quadrata (10x10 cm), lo spessore è di 300 micron come le altre celle al Silicio mentre il colore è
analogo a quello delle Policristalline.
Nasce dall’idea di contenere il Silicio perso per il taglio (circa il 50% del totale) creando sottili fogli di silicio di spessore
inferiore a 100 micron che, successivamente, vengono tagliati al laser.
Edge defined Film-fed Growth
Della famiglia della Ribbon troviamo le EFG che vengono ottenute lasciando depositare del Silicio su una barra di Grafite
Ottagonale. Mano a mano che la barra viene estratta dal bagno il silicio si solidifica creando alla fine un ottagono di
circa 6 metri di lunghezza. A questo punto ognuno dei lati rivestiti, larghi 10 centimetri, viene tagliato in lunghezza e
sezionato al laser. Vengono inseriti i contatti ed il rivestimento ARC; il Silicio delle celle è Policristallino anche se
apparentemente può essere confuso con il Monocristallino. L’efficienza è del 14% e la cella è quadrata da 10x10 o
rettangolare da 10x15 centimetri. Lo spessore è di 280 micron ed il colore è Blu.
Il processo può essere ancora più spinto se all’interno del bagno di silicio fuso vengono fatti passare DUE nastri in
carbonio o di quarzo verticalmente. Il silicio rimane intrappolato fra i due nastri formando uno spessore continuo di 8
centimetri; andando avanti il silicio viene avvolto su di una bobina per essere tagliato a fette. L’efficienza è del 12%
mentre le dimensione della cella sono 8x15 centimetri. Lo spessore è di 300 micron ed il colore è Blu.
16
Cella fotovoltaica (13)
Sono celle in silicio policristallino a film sottile costituite da un substrato ceramico sul quale viene depositata una sottile
pellicola di Silicio di spessore variabile fra 30 e 100 micron. L’efficienza è del 9.5% e la dimensione è di 20.8x20.8 cm., di colore
Blu.
Sono analoghe alle celle Apex ma non sono di Silicio cristallino. Vengono utilizzati sia il Silicio Amorfo che il Tellururo di Cadmio
(CdTe), ultimamente sono utilizzati anche il Diseleniuro di Rame ed Indio (CIS-Copper Indium di Selenide) ed il CIGS
(Diseleniuro di Rame Indio Gallio e Zolfo). La deposizione del materiale è per spruzzamento catodico o per deposizione
elettrolitica e si raggiungono spessore di appena 1 micron, con processi termici di soli 200-500 °C. I contatti elettrici posteriori
sono in genere formati da una copertura metallica continua diversamente, quelli superiori, sono ottenuti dal rivestimento di
ossidi metallici trasparenti, come l’ossido di Zinco o di stagno o, ancor meglio, l’Ossido di Titanio ed Indio (ITO).
( a-Si)
Fra le celle a film sottile quelle in Silicio Amorfo sono le più diffuse; purtroppo esse soffrono di bassa efficienza che, fra l’altro,
diminuisce ulteriormente nei primi 6-12 mesi di funzionamento (effetto Staebler-Wronski). Tale effetto viene mitigato qualora
si utilizzino celle sovrapposte (giunzione multipla). L’efficienza della cella è di 5-8% a regime mentre la forma può essere
variabile. In genere i moduli sono da 77x244 cm oppure da 200x300 cm. Lo spessore del substrato su cui viene deposto il silicio
amorfo è di circa 1 mm e lo strato di silicio è di 1 micron.
( CuInSe2) – Diseleniuro di Rame e Indio
La superficie posteriore è di vetro, su cui viene deposto un sottile strato di Molibdeno che funge da contatto elettrico. Lo strato
P viene ottenuto mediante vaporizzazione sottovuoto di rame, indio e selenio a 500 gradi mentre, i contatti frontali sono
realizzati con ossido di zinco drogato con alluminio, che è trasparente alla radiazione solare. L’efficienza delle celle è di 7.5-9.5%
e le dimensioni del pannello sono 120x60 cm, con uno spessore di 3 millimetri complessivi, di cui solo 3 micron sono di
materiale fotosensibile.
17
Cella fotovoltaica (14)
( Cu(In, Ga) Se2) – Diseleniuro di Rame, Indio e Gallio
Anche queste celle sono realizzate a film sottile e, come le CIS, hanno la capacità di operare in diverse bande di frequenza
della radiazione elettromagnetica incidente. Ciò è reso possibile dall’uso combinato di Indio, Gallio ed Alluminio, a livello
cationico, e di Selenio e Zolfo come componenti anionici. L’efficienza di queste celle è molto alta, fino al 19 [%], e scende al
11-13 [%] una volta assemblate sottoforma di modulo. Diversamente dalle celle in Silicio Amorfo le CIGS migliorano le
proprie prestazioni al passare del tempo grazie ad un processo di rigenerazione del reticolo cristallino ad opera del rame
presente nella cella. I primi moduli sono stati messi in commercio dalla NanoSolar nel 2007 e per realizzarli si è utilizzato un
inchiostro al CIGS che ha consentito la stampa del film sottile su supporto pieghevole. L’inchiostro viene depositato su di un
foglio di Alluminio sul quale, in precedenza, è stato deposto uno strato di Molibdeno come contatto elettrico. Una volta
depositato l’inchiostro sopra lo stesso viene rilasciato uno strato di CdS che realizza la Eterogiunzione, ed in cascata, un film
di ossido di zinco trasparente (controelettrodo).
Tellururo di Cadmio
Il CdTe presenta un bandgap di 1.45 [eV] e si adatta bene allo spettro solare, grazie a ciò riesce a convertire una quantità
maggiore del Silicio il cui bandgap è di 1.2 [eV]. Anche queste celle sono depositate su un substrato di 3 mm di vetro ed i
contatti frontali sono realizzati mediante uno strato trasparente in ossido di indio e titanio. La deposizione avviene per via
galvanica, oppure per stampaggio o spruzzamento. La deposizione dei due strati di CdS e CdTe (Eterogiunzione) avviene a
circa 700 gradi ed attivato in atmosfera contenente cloro. Il problema di queste celle è la tossicità del Cadmio allo stato
gassoso. L’efficienza è compresa fra il 6 ed il 9% e lo spessore del substrato fotosensibile è di 8 micron. Nella tecnologia
messa in campo dalla società italiana ARENDI, sviluppata dall’Università di Parma, l’efficienza sembra superiore ed è
prevedibile il raggiungimento di un 15% in poco tempo.
(Heterojunction with Intrinsic Thin Layer)
Sono una combinazione di celle in silicio cristallino e film sottile, nel senso che un wafer di silicio monocristallino viene
rivestito su ambedue le facce di un sottile strato di silicio amorfo e fra le superfici di contatto viene interposto un ulteriore
strato di silicio amorfo non drogato, creando così quella che viene chiamata ETEROGIUNZIONE. Presentano un’efficienza
molto elevata, circa il 20% di cella ed oltre il 17% di modulo, e le celle sono a a forma di nido d’ape, quindi quasi tonde.
18
Il Modulo Fotovoltaico (1)
La sola cella fotovoltaica non presenta tensioni e correnti idonee ad essere utilizzata per fini energetici (0.5-0.7 V ed
circa 1-5 A), è così indispensabile unire elettricamente più celle per dare luogo ad un MODULO, all’interno del quale le
celle sono combinate in SERIE, in PARALLELO o in SERIE/PARALLELO. Il collegamento di serie consente di incrementare
il voltaggio complessivo del modulo, senza incrementarne la corrente diversamente, il collegamento in parallelo
incrementa la corrente di uscita senza modificare il voltaggio complessivo.
I primi moduli fotovoltaici vennero utilizzati per la ricarica di batterie al piombo,
operanti ad un voltaggio di 12-14 [V], di conseguenza la tensione di uscita del
modulo era di circa 18 V e lo stesso era costruito con celle da circa 0.5 V di
tensione. Tutto ciò ha fatto si che i primi moduli venissero prodotti con 36 celle,
ognuna posta in serie all’altra. Per innalzare ulteriormente la potenza elettrica
del modulo si arriva a comporlo con 72 celle, suddivise in DUE blocchi da 36.
All’interno di ogni blocco le celle sono collegate in serie (STRINGA DI CELLE) e le
due STRINGHE vengono collegate in PARALLELO; tutto ciò ha lo scopo di
aumentare la potenza senza innalzare eccessivamente il voltaggio di uscita del
modulo.
Celle collegate in parallelo
I
I
Celle collegate in serie
V
V
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Il Modulo Fotovoltaico (2)
Da quanto detto in precedenza risulta chiaro che la tensione di uscita di un MODULO è generata dalla messa in serie
di un numero elevato di CELLE pertanto, qualora una delle celle della STRINGA venisse ombreggiata erogherebbe una
minore quantità di corrente. Poiché però le celle sono serie la corrente che circola all’interno delle stesse è uguale
per tutte, di conseguenza tutte le celle della stringa si trovano attraversate da una corrente uguale a quella della cella
ombreggiata, con evidente calo della potenza totale del modulo. Nello stesso tempo però le celle soleggiate creano
coppie elettrone-lacuna, che vengono assorbite dalla cella ombreggiata, che è diventata un vero e proprio CARICO;
tutto ciò porta un graduale aumento della temperatura di quest’ultima (HOT-SPOT) con conseguente riduzione
anche del voltaggio di uscita ma, soprattutto, con la possibilità che la cella si rompa per sovrariscaldamento. Per
contenere tale problema è pratica consolidata quella di porre in parallelo ad un certo numero di celle dei DIODI di BYPASS così che la zona ombreggiata venga by-passata e, seppur minore, venga garantita una potenza di uscita
accettabile. Ovviamente i diodi sono dimensionati a sopportare la corrente massima erogabile dl modulo, pertanto
sono di dimensioni apprezzabili, oltre a ciò una loro rottura metterebbe a repentaglio il buon funzionamento del
modulo stesso, di conseguenza vengono posizionati all’interno di una scatola (SCATOLA DI GIUNZIONE) posta sul
retro del modulo e dalla quale si dipartono i collegamenti elettrici dello stesso.
+
20
Il Modulo Fotovoltaico (3)
La SCATOLA DI GIUNZIONE contiene in genere da 2 a 6 diodi di by-pass e presenta le connessioni elettriche del
pannello. Queste ultime possono essere di TRE tipi:
1. Con connessione su morsetto a vite
2. Con fissaggio mediante occhiello crimpato
3. Con connettori MultiContact (MC3 o MC4 o TYCO)
già fuoriuscenti dalla scatola.
+
Modulo 9x4
3 diodi di by-pass
Tensione VOC= 21.6 V
Corrente ISC=7.9 A
Tensione VM=17.8
Corrente IM=7.3 A
Potenza Modulo: 130 W
NOCT=46
Efficienza 12.78 %
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Specifiche Tecniche di un Pannello Fotovoltaico
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Dimensioni della cella
Numero di celle (36, 48, 50, 54, 60, 72, 80, 96)
Forma e colore della cella (Pseudoquadrata, Quadrata, Ottagonale, ….)
Potenza di Picco (Wp)
Tolleranza (%)
Efficienza del modulo (%)
Corrente nel punto di Max. Potenza (A)
Tensione nel punto di Max. Potenza (V)
Corrente di Corto circuito – ISC (A)
Tensione a vuoto – VOC (V)
Temperatura nominale della cella – NOCT (°C)
Tensione Massima di sistema (V)
Coefficiente di tensione (%/°C)
Tensione a vuoto a -10 (°C)
Tensione al punto di Max. Potenza a 70 (°C)
Configurazione elettrica
Diodi di Bypass
Sistema di connessione
Lunghezza pannello
Larghezza Pannello
Spessore Pannello
Spessore con J-Box
Peso (kg)
Garanzia di prestazione (% in anni)
Garanzia del prodotto (2, 3 5, 6 , 10 anni)
Certificazioni (IEC61215, IEC61730-2,IEC61215-2d, UL1703 Classe-C, ISO9001:2000, ISO14001:2005; CE; PV-Cycle)
Il Generatore Fotovoltaico (1)
La potenza complessiva generata da un impianto fotovoltaico è in Corrente Continua e, come tale, è ottenuta come
prodotto fra il voltaggio e la corrente. E’ così evidente che allo stesso valore si può giungere per diversi valori delle 2
variabili che la determinano (V ed I). Per innalzare il voltaggio di uscita del nostro modulo è sufficiente collegare più
moduli in SERIE, viene così realizzata una STRINGA di moduli nella quale il voltaggio di stringa è la somma del voltaggio dei
moduli che la compongono mentre la Corrente di Stringa coincide con quella del singolo modulo.
In linea teorica potremmo
realizzare un impianto
fotovoltaico con una sola stringa;
ciò però è poco consigliabile
perché il voltaggio di uscita della
stringa diventa troppo alto,
rappresentando un vero e
proprio pericolo per gli
operatori.
Al contrario si potrebbe
realizzare un sistema FV
mettendo tanti moduli in
PARALLELO, in questo modo la
tensione di uscita è quella di un
solo modulo ma la corrente è la
somma di quella di tutti i moduli.
Il sistema non risulta pericoloso,
perché la tensione di lavoro è
bassa, ma le perdite di potenza
associate al trasporto elettrico
diventano enormi.
Diodo di Blocco
Il Generatore Fotovoltaico (2)
Il giusto compromesso è dato dal realizzare il sistema fotovoltaico mediante la messa in parallelo di più stringhe di
dimensione adeguate; si genera così un CAMPO fotovoltaico. L’insieme di tutti i campi viene chiamato GENERATORE
fotovoltaico che, nel caso di un solo campo, viene a coincidere con quest’ultimo.
Il voltaggio di stringa dipende in genere dalla potenza complessiva del generatore e del sistema di conversione CC/AC
(INVERTER) ; il limite massimo del voltaggio è 1000 [Vcc] che è pari al voltaggio di isolamento del modulo FV.
Ovviamente tale valore non viene utilizzato ed in genere la stringa si dimensiona dopo aver scelto l’Inverter in modo da
adattarsi a quest’ultimo; affronteremo questo argomento successivamente.
Qualora una stringa andasse in OMBRA ci sarebbe una riduzione marcata della corrente da essa erogata, in tal caso la
stessa diventerebbe un CARICO ed assorbirebbe parte della corrente erogata dalle altre stringhe connesse allo stesso
campo. Per evitare ciò è opportuno che ogni stringa sia dotata di un DIODO DI BLOCCO che impedisca alla corrente di
circolare in verso opposto, tale diodo è dimensionato per operare con correnti molto elevate ed è di dimensioni
ragguardevoli, la tensione di blocco del diodo deve essere pari almeno al DOPPIO della tensione a circuito aperto
della stringa e deve sopportare una corrente pari a 1.25 ISC .La presenza del diodo comporta una caduta di tensione di
0.5-1.0 [V] sulla linea ed una perdita di corrente di circa 0.5-2[%]. A fronte di tali perdite però vi è una maggiore
protezione dell’investimento anche se alcuni moduli fotovoltaici possono sopportare correnti inverse grandi fino a 7
volte la corrente nominale senza per questo essere danneggiati. In virtù di ciò esiste una scuola di pensiero per la
quale è preferibile non adottare i diodi di stringa ma scegliere moduli di Classe-II e tutti dello stesso modello , oltre a
ciò è importante che la differenza di tensione fra le stringhe non superi il 5[%] del valore nominale. A proteggere il
sistema da eccessive correnti in circolo sui cavi di stringa vengono inseriti i FUSIBILI DI STRINGA.
Sia i DIODI di STRINGA che i FUSIBILI di STRINGA sono contenuti all’interno del QUADRO DI CAMPO, insieme agli
interruttori di manovra ed agli Scaricatori di Tensione (SPD), quest’ultimi necessari in caso di sovratensione dovuta a
fulminazione.
Ogni pannello della stringa è collegato in serie al successivo, il collegamento elettrico è garantito da cavi speciali che
devono essere in grado di portare la corrente della stringa anche quando la temperatura dell’ambiente circostante è
pari a 70-80[°C], oltre a ciò devono essere poco sensibili alla luce Ultravioletta e dotati di connettori con grado di
protezione IP65. Le particolari qualità richieste al cavo fanno si che sia nata una vera e propria classe di CAVI SOLARI.
Il Generatore Fotovoltaico (3)
Cerchiamo di approfondire quanto detto finora con qualche esempio numerico.
Scegliamo un modulo in Silicio Monocristallino aventi le seguenti caratteristiche:
Numero di celle: 72
Dimensione della cella: 125x125 [mm]
Forma della cella: ottagonale
Potenza di picco del modulo: 180 [W]
Tolleranza: 3 [%]
Efficienza del modulo: 14.1 [%]
Corrente nel punto di massima potenza (IM): 4.9 [A]
Voltaggio nel punto di massima potenza (VM): 36.8 [V]
Corrente di corto circuito (ISC:): 5.35 [A]
Voltaggio di circuito aperto (VOC): 44.2 [V]
Temperatura Operativa Nominale della cella (NOCT): 47 [°C]
Tensione massima di isolamento: 1000 [V]
Coefficiente di Temperatura per VOC: -0.35 [%/°C)
Coefficiente di Temperatura per ISC: 0.05 [%/°C)
Coefficiente di Temperatura per la Potenza Massima: -0.45 [%/°C)
Configurazione elettrica: 6x12 (tutte le celle sono in serie)
Numero di diodi di Bypass: 3 ( un diodo ogni 24 celle)
Cavo Solare da 4 [mm2], lunghezza 900 [mm], MC4
Per prima cosa si calcolano le tensioni massime e
minime del modulo al variare della temperatura del
modulo , assumendo per la stessa i valori estremi di 10 e +70 [°C] e ricordando che la temperatura STC
del modulo è 25 [°C].
( 10 25) * 0.35
VOC ( 10C ) VOC (STC ) 1
49.6 [V ]
100
(70 25) * 0.35
VOC ( 70C ) VOC (STC ) 1
37.2 [V ]
100
(
10
25)
* 0.35
VM ( 10C ) VM (STC ) VOC (STC )
42.2[V ]
100
(70 25) * 0.35
VM ( 70C ) VM (STC ) VOC (STC )
29.8[V ]
100
Il Generatore Fotovoltaico (3)
Assumiamo che una stringa di moduli sia formata da 7 moduli, si avrà così:
Potenza Massima della Stringa: 7x180 = 1260 [W]
Tensione al punto di massima potenza (VM): 7* 36.8 = 257.6 [V]
Corrente al punto di massima potenza (IM): 4.9 [A]
Corrente di cortocircuito massima: 1.25 xISC: 1.25 x 5.35 [A] = 6.7 [A]
Tensione a vuoto massima: 7x VOC(-10) = 7 x 49.6 = 347 [V]
Tensione minima MPP (di massima potenza): 7 x 29.8 = 208.6 [V]
Tensione massima MPP (di massima potenza): 7 x 42.2 = 295.4 [V]
La potenza complessiva del generatore fotovoltaico potrà essere poi raggiunta mettendo in parallelo
più stringhe (CAMPO) e più campi (GENERATORE). Ovviamente tutta la potenza generata dall’impianto
fotovoltaico è in corrente continua e non può essere utilizzata direttamente, DEVE pertanto essere
trasformata in CORRENTE ALTERNATA mediante un sistema di conversione, comunemente chiamato
INVERTER.
Cavi di stringa
I cablaggi elettrici di un impianto fotovoltaico devono essere in grado di operare in condizioni ambientali severe come:
alta temperatura, fino a 100 °C nelle installazioni a tetto, pioggia, neve, luce Ultravioletta, ecc… Oltre a ciò viene
richiesta un’alta affidabilità del cablaggio durante l’invecchiamento, così da ridurre i costi di manutenzione ed i rischi di
guasto dell’impianto FV. E’ per tutta questa serie di ragioni che è nata una categoria di cavi speciali, chiamati per
l’appunto SOLARI, che viene identificata con la sigla FG21M21. Essi vengono utilizzati per il collegamento in serie dei
pannelli, da ciò di nome di CAVI DI STRINGA, ed, in genere, terminano nelle SCATOLE DI CAMPO. Dalle scatole di
campo in poi vengono invece utilizzati dei cavi con guaina per uso esterno, con temperatura massima di 70 gradi.
I cavi FG21M21 possono operare in un range di temperatura di
lavoro compreso fra -40 e +90 gradi centigradi ; bisogna stare
attenti a non confondere il valore di 90 gradi con il valore di
Temperatura Massima del cavo che, diversamente, è la
temperatura raggiunta dal cavo quando all’interno dello stesso
circola la corrente per la quale è stato progettato. Pertanto se 90
gradi fosse stata la temperatura massima ciò avrebbe indicato
che qualora l’ambiente avesse raggiunto tale valore il cavo non
avrebbe potuto fornire portata alcuna in quanto la sua
temperatura sarebbe stata di gran lunga superiore alla massima.
La gran parte dei cavi elettrici per esterno presentano proprio una
Temperatura Massima di 70 gradi. Il colore dei cavi FG21M21 può
essere: ROSSO (positivo), BLU (massa) e NERO (negativo) ed è in
grado di resistere a tensioni verso terra di 1800 Vcc ed una
tensione fra i poli di 1800 Vcc. Qualora i cavi solari venissero
posati in fascio la corrente massima tollerabile viene diminuita di
un fattore di correzione per tenere conto del ridotto smaltimento
Portata in aria libera dei cavi tipo FG21M21. Qualora interrati la
di calore a carico dei cavi; i coefficienti di riduzione sono riportati
portata di tali cavi deve essere desunta dalla tabella CEI UNEL
nella norma CEI UNEL 35024/1.
35026
Caratteristiche Cavo FG21M21
Tensione massima Um: 1200 V c.a.
Tensione massima (anche verso terra) Um: 1800 V c.c.
Temperatura massima di esercizio: 90°C
Temperatura minima di esercizio: -40°C
Temperatura massima di sovraccarico: 120°C
Temperatura massima di corto circuito: 250°C
Temperatura minima di installazione: -40°C
Raggio minimo di curvatura consigliato: 6 volte il diametro del cavo
Massimo sforzo di trazione consigliato: 50 N/mm2 di sezione del rame
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Perdite di tensione sui cavi di stringa
Per il calcolo della perdita di tensione sui CAVI SOLARI
che collegano i pannelli l’uno all’altro e la stringa al
quadro di campo è necessario dividere la lunghezza
della linea in più tratti.
Un primo tratto è relativo alla connessione in serie fra i
pannelli (L1); in questo caso il cablaggio è esposto ad
una temperatura superiore rispetto al rimanente, circa
70 gradi. Tale incremento di temperatura è associato alla
vicinanza del cablaggio con il retro dei pannelli e la
resistività elettrica del cavo aumenta.
Il secondo e terzo tratto (L2 ed L3) corrispondono invece
ai CAVI SOLARI di connessione fra la stringa ed il quadro
di campo; in questo caso la temperatura di lavoro è
inferiore, circa 30 gradi, grazie alla ventilazione naturale
degli stessi e comunque alla distanza dai pannelli.
Per il tratto L1 si può assumere una resistività del rame di 2.1x10-8[Wm], per i tratti L2 ed L3 viene invece assunto
1.8x10-8[Wm]; se “N” è il numero di pannelli che compongono la stringa, “S” la sezione dei cavi in mm2, “UMPP“ la
tensione di massima potenza di ognuno dei pannelli e “Pmax” la potenza massima della stringa si ha:
1 L1 2 L2 3 L3
Pmax
U % 100
S2
S3 (N UMPP )2
S1
[%]
